我国城镇化规模的增加促使垃圾产量与日俱增，填埋、焚烧和堆肥法是目前垃圾处理的三种形式，堆肥法长期以来市场占有率较低．填埋法为垃圾提供无氧环境促使垃圾中的有机物进行无氧发酵，但过程中产生大量的渗滤液易造成土壤污染，且发酵后遗留的陈腐垃圾依然占据大量的土地资源[1]．焚烧法将垃圾自身的热值通过焚烧转化成电能被利用，具有高效、减容减量化显著的优势[2-3]．根据我国统计年鉴数据显示，2021年约70%的生活垃圾处理方式采用焚烧法，焚烧法已成为我国垃圾处理的主要方式[4]．我国《生活垃圾焚烧污染控制标准》[5]规定，二次风/炉膛上截面烟气温度达到850 ℃作为垃圾焚烧是否达标的标准．与生活垃圾相比，陈腐垃圾具有低热值、低可燃分且高灰分的特点．因此，直接焚烧陈腐垃圾是一种危险且不经济的方式．协同焚烧可为低热值固废处理提供解决方案，王思琪等[6]利用管式炉测试在生活垃圾的基础上掺混一定比例的陈腐垃圾，结果表明：陈腐垃圾的掺混比例对Cd，Cr，Cu挥发率具有最显著的影响；Li等[7]利用热重分析仪实验测试陈腐垃圾与生活垃圾混燃特性得出添加陈腐垃圾不利于CO2和CH4的析出；Zhang等[8]在热重分析仪的基础上引入傅里叶变换红外技术(TG-FTIR)通过实验得出陈腐垃圾的掺混比应低于40%以抑制NOx，SO2等气体污染物的显著增加；Jiang等[9]也利用同样的手段针对污泥与易燃建筑及拆除废弃物开展混燃特性研究；Kumar等[10]研究生物质与污泥的混燃特性得出污泥与生物质的比例在1:1的条件下具有最好的燃烧性能；Xu等[11]以污泥和城市固废为原料，模拟得出床层焚烧及污染物浓度作用规律．本课题组以一台450 t/d焚烧炉为研究对象，利用FLIC和FLUENT软件联合开展陈腐垃圾-生活垃圾协同焚烧特性研究，以陈腐垃圾掺混比与生活垃圾含水率为变量，探究各变量下垃圾焚烧过程床层固体及炉膛气体燃烧规律，并开展现场测试．基于各变量内在的共同影响因素，以混合垃圾热值为目标，研究陈腐垃圾-生活垃圾协同焚烧极限热值．1 研究对象研究对象是一台山东省青岛市日处理能力为450 t的机械炉排焚烧炉，如图1所示，炉排总长度为13.88 m，宽度为5.85 m，炉排下方共设置6个一次风口，沿垃圾运动方向各段炉排的一次风口数量分别为1，3和2．为保证垃圾焚烧完全，一次风在进入炉排前加热至483 K．前后拱相应位置布置二次风口，数量分别为6和7，风向分别采用20°和0°向炉内喷射，垃圾炉内的焚烧物质为陈腐垃圾和生活垃圾的混合样品，其中陈腐垃圾来自青岛市垃圾填埋场．10.13245/j.hust.250913.F001图1焚烧炉平面图为保证所选用的生活垃圾和陈腐垃圾样品具有代表性，如图2所示，针对生活垃圾和陈腐垃圾均采用五点取样法采集不同位置(C1~C5)的垃圾样品，将所采集的5组样品进行充分搅拌混合，并通过四分法保留其中的15 kg进行理化性质检测．相应生活垃圾和陈腐垃圾样品的工业分析与元素分析如表1和2所示，垃圾焚烧炉的运行工况如表3所示．表中：M，V，FC和A分别为水分、挥发分、固定碳和灰分．LHV为垃圾低位热值．10.13245/j.hust.250913.F002图2采样方法10.13245/j.hust.250913.T001表1工业分析(基于收到基)垃圾类型质量分数/%LHV/(kJ∙kg-1)MVFCA生活54.6933.904.367.057 907陈腐33.5416.910.6548.903 13110.13245/j.hust.250913.T002表2元素分析(基于收到基)垃圾类型CHONSCl生活21.763.0711.900.960.290.28陈腐9.531.376.320.200.120.02%10.13245/j.hust.250913.T003表3运行工况参数数值参数数值一次风总量/(kN∙m3∙h-1)64.290二次风温/K303一次风配比0.17∶0.18∶0.18∶0.18∶0.14∶0.14二次风配比(前拱/后拱)0.86∶1.00一次风温/K483炉排速度/(m∙h-1)6.94二次风总量/(kN∙m3∙h-1)20.380日处理量/(t∙d-1)4502 模型建立及求解采用DM软件(DesignModeler)建立垃圾焚烧炉数值模型，如图3所示利用Meshing软件对焚烧炉的炉膛和余热锅炉分别采用四面体和六面体网格划分，并对二次风口区域网格进行局部加密．10.13245/j.hust.250913.F003图3模型网格加密FLUENT软件求解采用双精度和并行计算模式，在满足动量方程、连续性方程和能量方程的基础上，还考虑了辐射模型、湍流模型和燃烧模型．采用的湍流模型为标准k-ε模型，壁面采用标准壁面模型．考虑气体燃烧速率受气体混合速率和气体化学反应速率共同影响，采用组分输运模型下的有限速率-涡耗散模型计算气体燃烧速率．考虑焚烧炉的大尺寸结构及燃烧过程的高雷诺数等特点，采用P-1模型解决辐射问题．采用速度入口作为炉排表面的气体边界条件，相应气体浓度、速度和温度均通过FLIC软件模拟得出．二次风采用速度入口，其中前、后拱二次风量配比为0.86∶1.00．焚烧炉出口采用压力出口，数值为-85 Pa．模型采用SIMPLE算法进行求解，其中湍流采用一阶迎风求解，动量、压力、能量及组分等采用二阶迎风求解．3 结果与讨论3.1　研究内容研究内容主要包含陈腐垃圾掺混比与生活垃圾含水率两个方面，考虑入厂生活垃圾含水率较高，一般采用静置数天的方式处理．采用停留不同时间的生活垃圾作为不同含水率样本，相应参数如表4和表5所示，模拟工况如表6所示，其中类型2为实际采用的生活垃圾样本，工况3为实际工况．10.13245/j.hust.250913.T004表4工业分析(基于收到基)类型质量分数/%LHV/(kJ∙kg-1)MVFCA147.1339.555.088.249 637254.6933.904.367.057 907360.3529.663.816.186 613464.7626.373.395.485 591568.2823.733.054.944 78210.13245/j.hust.250913.T005表5元素分析(基于收到基)类型CHONSCl125.383.5813.891.120.330.33221.763.0711.900.960.290.28319.042.6910.410.840.250.25416.922.399.260.740.220.22515.232.158.330.670.200.20%10.13245/j.hust.250913.T006表6模拟工况工况掺混比/%含水率/%工况掺混比/%含水率/%11054.6962047.1321554.6972060.3532054.6982064.7642554.6992068.2853054.693.2　模型验证为验证所建立模型的可靠性，以实际工况(工况3)为验证算例进行相应的测试．首先，将各参数调至表3运行工况；然后，将掺混比为20%的混合垃圾经进料口送至焚烧炉；最后，分别采用温度传感器和氧气传感器对焚烧炉各测点的温度及出口氧气体积分数进行测量，并将模拟值与实测值进行对比．测点位置可参考图1，对比结果如表7所示，测点的实测值为6.33%，模拟值为6.16%，相对误差为-2.69%．10.13245/j.hust.250913.T007表7模型验证测点实测值/K模拟值/K相对误差/%测点实测值/K模拟值/%相对误差/%T11 1821 169-1.10T41 1781 156-1.87T27167383.07T51 1331 1521.68T31 2041 173-2.57可以看出：所有测点位置的参数相对误差均在±5%范围内，说明所建立的模型可靠．出现的误差主要是因为传感器测量误差及模型中气体燃烧反应进行简化所致．3.3　陈腐垃圾掺混比对垃圾焚烧效果的影响图4为不同掺混比(x)下垃圾相对质量(m)与各阶段速率(VM，VV，VFC)变化曲线．从图4(a)可以看出：掺混比的增加导致垃圾焚烧结束位置(L)相应提前；当掺混比为30%时，垃圾焚烧结束提前至炉排的9.25 m位置．掺混比每增加1%，垃圾焚烧结束位置平均提前0.05 m．10.13245/j.hust.250913.F004图4不同掺混比下垃圾质量与各阶段速率变化曲线从图4(b)可以看出：掺混比的增加导致水分(M)蒸发、挥发分(V)释放和固定碳(FC)燃烧速率线性下降，掺混比每增加1%，水分蒸发、挥发分释放和固定碳燃烧速率平均降低0.21，1.63和0.59kg/(m2∙h)．图5给出了焚烧炉内不同掺混比下焚烧炉内烟气温度(T)变化规律．从图5(a)可以看出：不同高度(h)截面的烟气温度随掺混比的增加呈下降趋势，烟气温度峰值由掺混比为10%时的1 303 K下降至掺混比为30%时的1 159 K．整体上烟气温度随高度的增加表现出先升高后降低的趋势，烟气温度升高说明焚烧处于主导作用，温度下降说明高温烟气与周围水冷壁发生换热，换热成为主导作用．从不同掺混比下烟气温度的下降趋势来看，掺混比的增加使烟气温度的下降趋势逐渐平缓，掺混比为10%下烟气温度下降了135 K，而当掺混比为30%时，烟气温度仅下降了54 K，这说明高温烟气向水冷壁转移的热量减少，焚烧效率下降．10.13245/j.hust.250913.F005图5不同掺混比下焚烧炉内烟气温度变化规律根据我国《生活垃圾焚烧污染控制标准》规定，参考不同高度截面的烟气温度变化规律，对不同掺混比下二次风截面烟气温度进行拟合，结果如图5(b)所示．可以看出：在满足烟气温度不低于1 123 K(即850 ℃)前提下，陈腐垃圾掺混比应低于27%．图6给出了烟气中各组分体积分数(φ)随掺混比的变化曲线．从图6(a)可以看出：掺混比的增加使得垃圾中挥发分和固定碳体积分数降低，可燃气体体积分数也相应减少(C2H4，CO和H2)，低可燃分抑制各气体燃烧反应进行，耗氧量减少，产物H2O和CO2体积分数下降，O2体积分数增加．此外掺混比增加使得水分体积分数下降，这也是导致床层表面H2O体积分数下降的原因．从图6(b)可以看出：床层表面可燃气体体积分数的减少使得炉膛内气体燃烧所消耗的氧气量下降，焚烧炉出口O2体积分数增加，H2O和CO2体积分数降低．10.13245/j.hust.250913.F006图6不同掺混比下气体组分体积分数变化曲线3.4　生活垃圾含水率对垃圾焚烧效果的影响图7给出了不同含水率(f )下垃圾焚烧床层相对质量与各阶段速率变化曲线．由图7(a)可以看出：由于生活垃圾含水率的增加导致混合垃圾水分体积分数大幅上升，水分蒸发阶段变长，垃圾焚烧进程相应推迟．工况9时，垃圾焚烧结束的位置距离炉排前端12.72 m，比工况6增加了4.01 m，通过对各工况下垃圾焚烧结束位置进行对比发现垃圾焚烧结束位置与含水率存在线性关系，含水率每增加1%，垃圾焚烧结束位置推后0.19 m．由图7(b)可以看出：受混合垃圾组分随含水率变化规律的影响，随着含水率的增加，混合垃圾中的水分蒸发速率呈现线性上升趋势，挥发分释放和固定碳燃烧速率呈现线性下降趋势，通过拟合得出含水率每增加1%，水分蒸发速率增加0.25 kg/(m2∙h)，挥发分释放和固定碳燃烧速率分别减少9.82和0.88 kg/(m2∙h)．10.13245/j.hust.250913.F007图7垃圾质量与各阶段速率随含水率变化曲线图8为不同含水率下焚烧炉内烟气温度变化规律．如图8(a)所示，高含水率的垃圾导致炉膛内烟气温度下降，烟气温度峰值由工况6下的1 320 K降低至工况9下的936 K．从不同含水率下烟气温度下降过程来看，含水率的增加不利于烟气与水冷壁之间的换热，尤其由工况8和9的烟气温度下降趋势可以看出：烟气温度下降相对缓慢，说明烟气与水冷壁之间的换热量降低，系统整体焚烧效率下降．如图8(b)所示，通过对二次风截面烟气温度拟合得出在保证烟气温度不低于1 123 K(即850 ℃)的条件下，生活垃圾含水率应低于55.73%．10.13245/j.hust.250913.F008图8不同含水率下焚烧炉内烟气温度变化规律图9给出了不同含水率下焚烧炉内烟气各组分体积分数变化规律．从图9(a)可以看出：由于含水率的增加导致垃圾中挥发分和固定碳体积分数下降，可燃气体(C2H4，CO和H2)体积分数下降，气体燃烧产物CO2体积分数相应降低，O2体积分数升高，而H2O的来源主要包括气体燃烧反应生成和水分蒸发两个方面，虽然可燃气体体积分数的减少造成燃烧所产生的H2O体积分数降低，但垃圾中存在大量的水成为H2O的主要来源，由于含水率的增加导致垃圾中水分体积分数大幅提高，因此H2O体积分数相应上升．从图9(b)可以看出：可燃气体体积分数的减少促使炉膛内耗氧量降低，焚烧炉出口O2体积分数升高，CO2体积分数降低，床层表面释放的H2O体积分数增加造成出口H2O体积分数上升．10.13245/j.hust.250913.F009图9不同含水率下气体组分体积分数变化曲线3.5　混合垃圾热值对垃圾焚烧效果的影响无论是改变陈腐垃圾掺混比还是生活垃圾含水率，最终改变的参数是混合垃圾的热值，因此将两个变量整合成混合垃圾热值进而研究其内在的作用规律．图10给出了混合垃圾在不同热值(Q)下二次风截面烟气温度变化曲线．可以看出：热值的增加促使烟气温度线性上升，垃圾热值每增加1 kJ/g，二次风截面烟气温度约上升95 K．当烟气温度大于1 123 K(即850 ℃)时，混合垃圾热值应高于6 871 J/g，考虑到实际焚烧炉设计热值范围为4 605~8 374 J/g，最终混合垃圾的热值应控制在6 871~8 374 J/g范围内．10.13245/j.hust.250913.F010图10不同热值下二次风截面烟气温度变化曲线4 结论以青岛某垃圾焚烧发电厂一台450 t/d的机械炉排焚烧炉为研究对象，模拟陈腐垃圾掺混比与生活垃圾含水率对垃圾焚烧特性的影响，得到如下主要结论．a．增加陈腐垃圾掺混比导致床层水分蒸发、挥发分释放和固定碳燃烧速率呈现线性下降趋势，垃圾焚烧结束位置推后，掺混比每增加1%，各阶段速率分别下降0.21，1.63和0.59 kg/(m2∙h)，垃圾焚烧结束位置推迟0.05 m，陈腐垃圾掺混比的增加导致焚烧炉出口O2体积分数上升，CO2和H2O体积分数下降．b．增加生活垃圾含水率促使床层水分蒸发速率上升，挥发分和固定碳燃烧速率下降，垃圾焚烧结束位置推迟，含水率每增加1%，水分蒸发速率升高0.25 kg/(m2∙h)，挥发分释放和固定碳燃烧速率分别降低9.82和0.88 kg/(m2∙h)，垃圾焚烧结束位置推迟0.19 m．含水率的增加导致焚烧炉出口O2和H2O体积分数上升，CO2体积分数下降．c．混合垃圾的热值应控制在6 871~8 374 J/g范围内以满足焚烧炉设计热值要求和二次风截面烟气温度不低于850 ℃国标要求．因此，针对实际工程中已知的生活垃圾和陈腐垃圾热值，基于能量平衡即可计算出该类型的生活垃圾和陈腐垃圾协同焚烧所允许掺混比的上、下限．实际上的垃圾组分变化多样，尤其不同季节的垃圾热值具有较大的差异，本研究仅在特定时间开展，且运行工况及样本量过于单一．后续将进行不同季节的陈腐垃圾和生活垃圾协同焚烧模拟和实验研究，以验证结论的准确性．